Blazar S5 0716+714: niezwykła soczewka grawitacyjna

Blazar to taka galaktyka aktywna, której relatywistyczny dżet skierowany jest dokładnie lub niemal dokładnie w kierunku ziemskiego obserwatora. Blazary charakteryzują się wysoką zmiennością ich obserwowanej jasności, która manifestuje się w różnych zakresach promieniowania elektromagnetycznego, od fal radiowych aż po promieniowanie gamma. Zmienność ta zachodzi również w różnych skalach czasowych – od minut aż po dziesiątki, a nawet setki lat.

Jednym z takich dobrze znanych naukowcom blazarów jest ten o nazwie S5 0716+714. Na sławę zapracował on sobie szczególnie silną zmiennością, dobrze widoczną w optycznym zakresie promieniowania, i to w skalach czasowych rzędu pojedynczych nocy. Blazary z tak krótkim okresem zmienności łatwiej jest obserwować pod kątem zmian blasku, czyni go to więc dobrym celem kampanii obserwacyjnych takich jak WEBT (Whole Earth Blazar Telescope), które w zamierzeniu nieprzerwanie monitorują zmienność blazarów przez kilka dni z rzędu. W dwóch zbiorach danych z sieci obserwacyjnej WEBT (z 2003 i 2014 roku) pojawił się charakterystyczny przebieg zmienności jasności blazara, możliwy do obserwacji w każdym z filtrów teleskopu. Na poniższej ilustracji odpowiadają mu kolory zielony i czerwony.

Blazar S5 0716+714 został też stosunkowo niedawno zaobserwowany przez satelitę TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite), który zmierzył jego krzywe zmian blasku dla łącznie 120 dni. Zespół naukowy z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie znalazł w nich kilka innych, nowych przejawów zmienności o podobnej charakterystyce (na rysunku są one oznaczone kolorem czarnym). Tego typu kształt zmienności nie jest jednak łatwo powiązać ze znanymi nam obecnie procesami zachodzącymi w blazarach.

Zmienność jasności obiektu dla trzech różnych zdarzeń. Źródło: Oryginalna publikacja.

Na ilustracji: Zmienność jasności obiektu dla trzech różnych zdarzeń. Źródło: Oryginalna publikacja.

W nowej pracy uczeni postulują, że zaobserwowana kilkukrotnie zmienność blazara powiązana może być z soczewkowaniem grawitacyjnym fragmentów jego dżetu przez układ podwójny znajdujący się w galaktyce macierzystej blazara. Soczewkowanie grawitacyjne to zjawisko fizyczne polegające na zakrzywieniu biegu promieni świetlnych w pobliżu masywnych obiektów – poprzez zakrzywienie samej czasoprzestrzeni. Prowadzi to do ich skupienia, co z kolei, zależnie od masy, konfiguracji oraz wzajemnych odległości soczewki, obserwatora i źródła, przejawia się w obserwacjach na różne sposoby. Okazuje się teraz, że soczewka będąca układem podwójnym, który przechodzi przed linią łączącą odległe źródło (w tym przypadku blazara) z obserwatorem na Ziemi, wywołać może zmiany jasności właśnie takie, jakie obserwujemy w krzywej zmian blasku blazara S5 0716+714.

Wyniki modelowania komputerowego pokazują, że tego typu zmienność wyjaśnić może soczewka będąca układem podwójnym składającym się z centralnej masy głównej oraz około 100 razy mniej masywnego towarzysza. Masa układu podwójnego zależy od jego położenia w galaktyce macierzystej badanego blazara. Korzystając z pewnych fizycznych ograniczeń, nakładanych na układ podwójny z uwagi na czas trwania oraz okres pomiędzy pierwszą, a ostatnią obserwacją zjawiska, można było wyliczyć przybliżoną masę omawianej soczewki grawitacyjnej. Wynosi ona od 104 do 106 mas Słońca. Oznaczać to może, że soczewka ta jest czarną dziurą o masie pośredniej, czyli większej niż czarne dziury o masach gwiazdowych, powstałe jako końcowy etap ewolucji najmasywniejszych gwiazd, ale także znacznie mniejszej niż supermasywne czarne dziury obserwowane w centrach galaktyk.

Opisane wyniki są częścią badań prowadzonych w Zakładzie Astrofizyki Wysokich Energii Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie.

Zmienność jasności obiektu dla trzech różnych zdarzeń. Źródło: Oryginalna publikacja.
Po lewej stronie zaprezentowano trajektorie źródła na płaszczyźnie soczewki, po prawej – odpowiadające im krzywe zmian blasku. Źródło: Oryginalna publikacja.